非均質氣藏水平井非對稱立體壓裂優化方法

劉熔冰，劉 林，曹興榮，劉 斌

（1中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司生產運行處2中石化西南油氣分公司石油工程技術研究院3長慶油田分公司第十采油廠）

劉熔冰等.非均質氣藏水平井非對稱立體壓裂優化方法.鉆采工藝，2019，42（5）：118-120

SF氣田蓬萊鎮組儲層垂深為700～1 900m，地壓系數為1.23～1.46，巖性以細砂巖為主，滲透率為0.1～0.3 mD，孔隙度為8%～10%，以小孔-細喉組合為主，橫向變化大，尖滅較頻繁，透鏡體發育。由于河道砂體窄，砂、泥巖互層現象嚴重，水平井有效儲層鉆遇率僅為30%，加之平面上富氣區有限，單井鉆遇的儲層普遍以Ⅱ、Ⅲ類為主。前期水平井分段壓裂采用均質儲層分段壓裂設計思路，由于水平段存在多個滲流“阻隔帶”，單條水力壓裂裂縫儲量控制有限，水平井分段壓裂后平均測試產量1.63×104m3／d，投產率僅為46%，氣藏開發難度大，亟待開展砂泥巖互層、透鏡體砂巖水平井分段壓裂優化設計方法研究。

一、非對稱立體壓裂優化設計思路

非對稱立體壓裂目標為提高非均質儲層水平井儲量動用程度，其優化設計總體思路是：以氣藏滲流特征為基礎，以劃分水平井段儲層滲流阻隔帶為關鍵，以獨立滲流單元為目標，結合砂體平面和縱向展布，進行優化設計。技術核心是將水平段非均質儲層轉化為均質獨立滲流單元，包括滲流特征研究、滲流阻隔帶確定、獨立滲流單元劃分、均質儲層優化設計。

二、氣藏滲流特征及地質模型建立

1.氣藏滲流特研究

國內外大量研究表明，氣藏滲透率較低，含水飽和度較高的狀態下，氣體滲流時必須考慮啟動壓力的影響，啟動壓力的存在使得氣體呈現下凹型的非線性滲流。通過室內實驗測定了致密儲層啟動壓力值，在此基礎上建立了氣藏滲透率與啟動壓力梯度的關系，揭示了致密砂巖氣藏滲流規律，表1為氣藏啟動壓力測試情況。

表1 氣藏啟動壓力測定

通過實驗數據回歸可擬合出儲層滲透率與初始啟動壓力梯度的關系式：

式中：λ—啟動壓力梯度，MPa／m；K—儲層滲透率，mD。

建立的啟動壓力梯度隨儲層物性（滲透率）的關系，對非均質儲層生產壓差控制與人工布縫位置選擇提供了依據。

2.地質模型建立

SF氣田蓬萊鎮組氣藏不連續的分布有Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類儲層，不論那一類儲層類型，砂體都是由連續的大段與不連續的小段組合而成的，通過水平井實鉆砂體情況可以歸納三種情況，含阻隔帶的交互層模型、連續同種類型儲層模型、多砂體組合模型，從而確定了基本的地質物理模型如圖1所示。

圖1 非均質儲層基本地質模型

三、均質獨立滲流單元劃分

在特定滲透率和滲流帶寬下，在一定生產時間內，壓力未波及到滲流帶邊緣，且產量貢獻較小，可視為滲流阻隔帶。

1.數學模型建立

1.1 考慮啟動壓力梯度的運動方程

當考慮啟動壓力梯度時，流體滲流過程中總壓降應為流體流動壓降與啟動壓力之和，若同時考慮重力的影響，水相和氣相的運動方程可用式（2）表示：

將密度和體積系數加入到運動方程，可獲得氣相和水相的質量流速：

1.2 氣、水兩相滲流方程及壓力方程

引入勢函數Φα＝pα-ραgH-λαΔL，聯立連續性方程、考慮啟動壓力梯度的運動方程，可得氣相、水相滲流方程如式（4）：

引入氣水飽和度滿足歸一條件Sw+Sg＝1整理可得：

式中：Ct—為綜合壓縮系數。

2.滲流阻隔帶確定方法

考慮到Ⅳ類儲層基本不具有流動特征，將低滲透阻隔帶的滲透率設定為0.015 mD、0.03 mD、0.05 mD、0.1 mD，同時將阻隔帶的厚度設置在1～25 m之間。

（1）以阻隔層滲透率0.1 mD，厚度5 m為例（壓力波穿透阻隔層），模擬3個月和1年后的壓力分布圖，見圖2、圖3。

從圖2、圖3可以看出，在隔層滲透率0.1 mD，隔層厚度5 m，在3個月時，左邊儲層壓力波未穿透阻隔層，但是當1年以后，壓力波穿透阻隔層，動用右邊儲量。

（2）不同阻隔層滲透率下滲流單元劃分界限確定。分別模擬阻隔層滲透率為0.1 mD、0.05 mD、0.03 mD、0.015 mD，生產3年后不同阻隔層厚度下壓力波傳播情況，由此確定滲流單元劃分的阻隔層厚度界限。

圖2 3個月后壓力分布圖

圖3 1年后壓力分布圖

在阻隔層滲透率為0.1 mD情況，厚度從1 m增加到25 m，隔層壓力阻隔能力逐漸增強，達到20 m時，3年后壓力波未能穿透阻隔層，左邊儲層未能動用右邊儲層，左右兩個儲層需要分為兩個滲流單元帶，見圖4。綜合0.1 mD、0.05 mD、0.03 mD、0.015 mD阻隔層滲流單元的劃分界限厚度，根據滲流單元劃分界限與阻隔層滲流率的關系，擬合關系如圖5所示。

圖4 滲透率0.1 mD時阻隔層厚度

圖5 阻隔帶滲透率與最小阻擋厚度關系

3.獨立滲流單元劃分

根據水平段鉆遇砂體滲透率情況，通過圖4阻隔帶滲透率和最小阻擋厚度關系可以確定儲層內不同滲透率阻隔層情況的滲流單元劃分，進而將整個水平段進行劃分為多個獨立的滲流單元。

四、非對稱立體壓裂分段壓裂設計方法

基于建立的非均質滲流單元模型，通過改變阻隔帶寬度和滲透參數，討論壓力是否穿過阻隔帶，由此確定是否要能在阻隔帶兩側劃分為兩個獨立滲流單元；然后以設計井產氣量為目標，對不同儲層類型組合模型進行不同滲流單元的裂縫位置優化，確定出最佳布縫方式，見圖6。

圖6 非對稱立體壓裂優化設計方法

五、非對稱立體壓裂應用效果

通過非對稱立體壓裂優化設計，水平段裂縫布置合理，充分動用地質儲量，通過現場應用統計，非對稱立體壓裂壓后平均單井測試產量4.43×104m3／d，較常規壓裂設計改造效果提高了41%，投產率從46%提高到83%，見表2。

表2 非對稱立體壓裂現場應用效果

六、結論

（1）非均質致密氣藏滲流特征、復雜砂體展布以及水平段鉆遇儲層的強非均質性是影響壓裂效果的關鍵，常規均質儲層水平井分段壓裂模式不適應非均質性儲層。

（2）本文在氣藏滲流特征研究的基礎上，建立了非均質儲層地質模型，提出了滲流阻隔帶的確定方法，劃分了均質獨立滲流單元，在獨立滲流單元內采用均質模型進行優化設計，從而形成了非均質水平井非對稱立體壓裂優化設計方法，對于非均質儲層分段改造具有較強的針對性。

（3）非均質水平井非對稱立體壓裂，可充分動用水平井段地質儲量、減少無效裂縫、降低儲層傷害，通過現場應，分段壓裂改造效果提高了41%，投產率提高了37%。

（4）形成的水平井分段壓裂優化設計技術對SF氣田新增產能3.5×108m3，新增探明儲量1 652.07×108m3做出了積極貢獻，對國內外其它類似氣藏的勘探開發具有重要的借鑒意義，應用前景廣闊。